S12XD系列中XGATE協(xié)處理器的原理及應用
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XGATE和CPU完全一樣，是一個支持C編譯器的可編程的核。當中斷源到來時，它開始運行；在完成中斷的任務以后，它會停下來其所有時鐘等候下次事件，以此減少電源消耗。
XGATE是一個協(xié)處理器。它可以直接使用，幾乎可以直接進入所有存儲空間。XGATE的創(chuàng)新特點就在于它以獨特的方式連接到MCU所自帶的RAM上。通過交換總線，MCU的內部總線允許交叉進入RAM區(qū)。當主CPU全速執(zhí)行時，訪問RAM只需一半時間，XGATE得以在另外半個時鐘總線周期進入RAM。所以若主CPU不進入RAM的周期內，則XGATE訪問RAM的速度就會是CPU最高速度的2倍。
3 XGATE應用及其工作原理
3.1 多通道PWM
脈沖寬度調制(PWM)在很多I／O引腳上被MCU的物理硬件很嚴格地限制了，或者說如果需要更多的PWM信號就必須使用軟件來驅動這些脈沖。當需要一個在輸出上實現(xiàn)低功耗的過濾，或者引發(fā)中斷時，通常想要一個PWM短周期信號，它就會在主CPU上有很高的占用率。XGATE可以將CPU的占用狀態(tài)完全移除，并且可以通過一個單一的硬件定時器運行產(chǎn)生多通道的PWM，這樣可以使MCU源的應用更有效率。在很多的實際應用中，相關的PWM信號產(chǎn)生就是利用了定時器來產(chǎn)生所需要的PWM波形。
3.2 串行通信協(xié)議處理
XGATE的另外一個重要功能就是串行通信。這里會接收到含有比較標示符的信息，然后數(shù)據(jù)會被送到存儲器中的一個適當?shù)膮^(qū)域，這些都是由匹配的標識符和負載數(shù)據(jù)決定的。
3.3 CAN網(wǎng)關
CAN網(wǎng)關在工業(yè)系統(tǒng)中經(jīng)常遇到的典型形式就是具有2個CAN網(wǎng)絡拓撲。XGATE就可以幫助CPU來實現(xiàn)這個雙CAN網(wǎng)絡的功能。
XGATE可以通過查表提供100％軟件過濾。在每100μs接收一幀信息(每幀信息包括8字節(jié)和29位標識符)的情況下，對8位或者16位MCU來說，這個雙CAN網(wǎng)絡拓撲結構的控制是非常重要的。XGATE可以降低CPU的加載率，CPU處理258字節(jié)編碼時就近似于零加載。對于一個6字節(jié)數(shù)據(jù)的CAN信息，XGATE處理每幀編碼大約需要3μs，最壞的情況下CPU加載率只有6％。
3.4 積分編碼
很多電機控制應用需要從位置和速度傳感器得到連續(xù)輸入的信號。對于體積小、速度快的電機，積分編碼可以提供位置反饋，并且可以產(chǎn)生每秒幾萬個脈沖。如要保持CPU沒有加載，則由XGATE完成該任務，它可以處理兩個傳感器中的一個中斷事件，并提供方向和位置信息。第3個傳感器可以為轉動參考點提供一個索引信號。每次讀2個傳感器輸入任務時會有一個中斷，并且根據(jù)后來輸入狀態(tài)執(zhí)行單一向前或者向后計算，用XGATE時只花很少的時間就可以完成這個任務(執(zhí)行程序所用時間少于0.5μs)。這是一個理想的表現(xiàn)XGATE特性的例子。
3.5 同步串行通信
對于一些串行通信，XGATE可以提供簡單的驅動功能。SPI(同步串行通信)在主機模式下操作是很容易完成的，時鐘和數(shù)據(jù)都可以由XGATE驅動，并且只對一個定時器提供波特率信息。
XGATE也還可以沒置SPI從機操作，典型的操作包括在MOSI口收集數(shù)據(jù)和在MISO口輸出數(shù)據(jù)，每次傳輸都會在SCLK上接收到時鐘信號。從機SPI執(zhí)行必須注意，由于錯過半周期時鐘沿而產(chǎn)生錯誤的讀操作會導致向SPI主機返回的數(shù)據(jù)錯誤。
3.6 異步串行通信
與SPI一樣，XGATE可以通過直接對口進行位操作或者通用異步收發(fā)報機來控制軟件SCI。這個與最初的同步通信功能相似，當然，臨界位的時鐘邊沿是不一樣的。
在異步串行通信中XGATE編碼是被嚴格限制的(波特率最大值通常是19 200 b／s)。在最大反應時間情況下必須保持位波特率的20％和總體的2％，也就是每10.4μs對每位采樣或設置一次。雖然位處理時間是允許變化的，但是在19 200 b／s的波特率下就不會在發(fā)送和接收正確的8位數(shù)據(jù)上產(chǎn)生沖突。
XGATE編碼發(fā)送SCI數(shù)據(jù)需要由一個比較定時器產(chǎn)生的2個定時值：一個是位周期；另一個是斷點檢測時間，通常為多個位周期時間。傳輸1位的程序非常短，只需要設置輸出狀態(tài)和改變位的指針。接收數(shù)據(jù)要求用位周期時間對中間通道進行采樣，這樣就會和以前的中斷分開，就像進入了另一個XGATE中斷，使中斷率加倍。此外，這個程序很短，在最壞的情況下中斷之間(發(fā)送／接收，波特率為19 200 b／s)的間隔是26μs；在XGATE的時鐘程序的影響下(波特率為19 200 b／s)，SCI數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送之前，允許程序用大約36μs執(zhí)行(允許延時26+10.4μs)。
這是一個當XGATE程序加入后，如何滿足最大延時并允許其他程序執(zhí)行的很好的例子。
3.7 LIN協(xié)議處理
本地互連網(wǎng)(LIN)協(xié)議在汽車控制方面有廣泛應用，其主要作用是作為CAN的展開，但是現(xiàn)在也開始在其他非汽車應用領域中流行起來。
LIN和SCI外部設備一樣，都是按字節(jié)控制數(shù)據(jù)的。在LIN中，XGATE可以處理傳輸數(shù)據(jù)、緩沖器接收數(shù)據(jù)中斷和數(shù)據(jù)排隊的協(xié)議。
XGATE執(zhí)行213字節(jié)長的協(xié)議程序，執(zhí)行時每字節(jié)只要0.9μs。在雙字節(jié)加載數(shù)據(jù)時，80 Hz的頻率下處理雙字節(jié)LIN信息只用了XGATE執(zhí)行能力的0.66％。
3.8 排隊管理
對外部設備的排隊管理可以使主CPU進行有意義的加載。一些MCU體系結構根據(jù)排隊選擇外部設備來減少在CPU上的加載。XGATE可以根據(jù)使用者的要求提供此項功能。
結 語
S12XD系列16位微處理器是較高端的車載型單片機，應用很廣泛。它的眾多優(yōu)勢中最大、最有特色的就是XGATE的加入。XGATE作為一個獨立于CPU的協(xié)處理器對于整個芯片的作用很大。在處理中斷方面XGATE可以實現(xiàn)很強大的功能，可以大量降低主CPU的加載率，讓數(shù)據(jù)傳輸更順暢。在訪問RAM方面XGATE也有其自己的優(yōu)勢，在實際應用中必然會受到大家的重視。但是就現(xiàn)在而言，雙核技術還是屬于一項新技術，在很多方面的應用還是需要大家共同探索的。
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